用于液体冷却等离子弧炬的筒的夹套的制作方法

本发明大体上涉及一种用于液体冷却等离子弧炬(plasma arc torch)的易耗筒(cartridge)的夹套，其中筒具有多个集成部件。

背景技术：

1、诸如等离子弧炬的热加工炬广泛用于材料的高温加工(例如，加热、切割、气刨和打标)。等离子弧炬大体上包括炬头、安装在炬头内的电极、设置在电极的内孔内的发射插件、安装在炬头内的具有中心出口孔的喷嘴、护罩、电连接、用于冷却的通路、用于电弧控制流体(例如，等离子气体)的通路和功率供应装置。涡流环可用来控制在电极和喷嘴之间形成的等离子体室中的流体流动型态。在一些炬中，固持帽用来将喷嘴和/或涡流环保持在等离子弧炬中。在操作中，炬产生等离子弧，等离子弧是具有高温和足够动量以帮助去除熔融金属的电离气体的收缩射流。炬中使用的气体可为非反应性的(例如，氩气或氮气)或反应性的(例如，氧气或空气)。

2、现有的等离子切割系统包括大的阵列的单独的耗材(例如，六种不同的耗材)，其可用于不同的电流和/或操作模式，其由用户在现场反复地组装和拆卸以执行热加工操作。大量的耗材选项需要用户有很大的零件数目和库存，并且可使用户混淆并增加安装不正确的耗材的可能性。例如，这些耗材典型地具有不同的预期寿命，具有不同的零件号，最终用户可能容易混淆所述不同的零件号，导致较差的切割质量或损坏工件和/或炬零件。大量的耗材选项还可导致很长的炬设置时间，并使得难以在需要炬中耗材的不同布置的切割过程之间转换，该炬通常在现场一次执行一个部件。例如，为了维护和更换的目的，通常需要专用工具来安装和从炬上拆卸电极或喷嘴中的至少一个。因此，在切割操作之前，为特定切割任务选择和安装正确的耗材组可能是繁琐且耗时的。此外，当旧部件与新部件一起使用时，这些部件在现场的选择、组装和安装可导致对准问题或兼容性问题。在炬操作期间，现有耗材可能遇到性能问题，诸如无法保持正确的耗材对准和间距。因为每个耗材需要单独地对准，所以现有的等离子弧炬和耗材被机加工成具有相对严格的公差，以便于正确对准。

3、所需要的是用于液体冷却等离子弧炬的新的和改进的耗材平台，该平台减少零件数目，提高系统性能(例如，部件对准、切割质量、耗材寿命、可变性/多功能性等)，并简化由最终用户对耗材的安装和使用。

技术实现思路

1、本发明提供了用于液体冷却等离子弧炬的一种或多种集成的、成本有效的筒设计。通常，因为筒包括一套两个或更多个易耗部件，所以与在传统等离子弧炬中单独地安装/更换每个易耗部件相比，它提供了易用性并缩短了安装到等离子弧炬中的时间。使用易耗筒还降低了操作者放入错误的易耗零件、在安装期间污染零件和/或意外地将脆弱或坏的零件放回到炬上的可能性。这些优点消除了对有经验的操作者操作最终的液体冷却等离子弧炬的需要。此外，在液体冷却炬中使用筒改善了部件对准、切割一致性和切割质量。此外，使用易耗筒增强了供应商的体验，因为需要盘点和储存较少的耗材。

2、在一个方面，本发明的特征在于用于液体冷却等离子弧炬的带夹套的易耗筒。带夹套的易耗筒包括：电极；涡流环，其牢固地附连到电极的远端并围绕电极的远端周向地设置；以及喷嘴，其牢固地附连到涡流环，该喷嘴围绕电极的远端周向地设置，其中涡流环的一部分位于电极和喷嘴之间。带夹套的易耗筒还包括牢固地附连到喷嘴的远端并围绕喷嘴的远端周向地设置的筒夹套和牢固地附连到筒夹套的远端并围绕筒夹套的远端周向地设置的护罩。筒夹套的近端适于(i)轴向地延伸经过护罩的近端并且(ii)径向地延伸超过护罩的径向范围。

3、在一些实施例中，涡流环经由在涡流环的内表面上的两个不同的周向接口牢固地附连到电极。在一些实施例中，筒夹套经由在喷嘴的外表面上的至少两个不同的周向接口牢固地附连到喷嘴。在一些实施例中，护罩经由围绕筒夹套的外表面周向地设置的固持特征牢固地附连到筒夹套。固持特征构造成接收护罩的近端以牢固地附连护罩。

4、在一些实施例中，喷嘴经由在涡流环的外表面上的两个不同的周向接口牢固地附连到涡流环。涡流环可包括形成在外表面上并围绕涡流环周向地分散的多个狭槽。多个狭槽成形为与喷嘴的内部轮廓互补，以限定一组气体涡流通路。在一些实施例中，多个狭槽中的每一个都是倾斜的。

5、在一些实施例中，涡流环或筒夹套中的至少一个由可注射模制的塑料材料构成。在一些实施例中，筒夹套周向地设置在喷嘴和护罩之间，以物理地分离和电学地隔离喷嘴和护罩。

6、在一些实施例中，筒夹套的近端成形为柔性地接合等离子弧炬的炬本体，以形成基本上不透流体的密封，从而能够将液体和气体两者从炬本体输送到筒。在一些实施例中，筒夹套包括围绕近端周向地设置的多个孔口，每个孔口将筒夹套的内表面连接到外表面，构造成计量气体并将气体从炬本体导引到护罩。在一些实施例中，筒夹套包括设置在筒夹套的内表面中并围绕筒夹套周向地散布的多个轴向通道，所述多个轴向通道构造成与喷嘴的外部轮廓互补以限定用于在喷嘴和夹套之间输送液体的冷却剂通路中的相应通路。

7、在一些实施例中，喷嘴包括在喷嘴的近端的外圆周上的对准表面，该对准表面构造成在筒和炬本体之间接合时使得筒能够与等离子弧炬的炬本体对准。在一些实施例中，电极包括设置在电极的远端上的银端。在一些实施例中，护罩包括围绕护罩的近端周向地设置的多个孔口，每个孔口成形为导引、计量和旋动穿过该孔口朝向护罩出口孔行进的气体流。

8、在一些实施例中，易耗筒的长度与易耗筒的宽度的比率小于约1.25。

9、在另一个方面，提供了一种用于液体冷却等离子弧炬的易耗筒的夹套。包括电极、喷嘴和护罩的易耗筒构造成可移除地附接到等离子弧炬的炬本体。夹套包括基本上电绝缘的中空本体，该中空本体限定延伸穿过该中空本体的纵向轴线。夹套还包括沿着纵向轴线设置的中空本体的远端。远端构造成(i)在中空本体的内表面处匹配地接合喷嘴，并且(ii)延伸到护罩的近端中以在中空本体的外表面处匹配地接合护罩。夹套还包括沿着纵向轴线与远端相对地设置的中空本体的近端。近端轴向地延伸经过护罩的近端，并且径向地延伸超过护罩的径向范围。近端构造成匹配地接合炬本体。

10、在一些实施例中，夹套还包括围绕中空本体的近端周向地设置的多个孔口。每个孔口将中空本体的内表面连接到中空本体的外表面，并且构造成将气体流计量并从炬本体导引到护罩。在一些实施例中，多个孔口的大小构造成支持易耗筒的第一操作电流要求。该大小不同于用于第二易耗筒的第二夹套的第二多个孔口的大小，该第二多个孔口的大小构造成支持与易耗筒的第一操作电流要求不同的操作电流要求。

11、在一些实施例中，夹套还包括设置到中空本体的内表面中并围绕中空本体周向地散布的多个轴向通道。在一些实施例中，多个通道构造成与喷嘴的外部轮廓互补以限定在喷嘴和夹套之间的相应的液体冷却剂通路。在一些实施例中，中空本体的近端包括周向冷却剂通道，该周向冷却剂通道在多个轴向通道近侧并与多个轴向通道流体连通，以经由多个轴向通道在炬本体和喷嘴之间输送冷却剂流。

12、在一些实施例中，夹套还包括在远端处围绕夹套的外表面周向地设置的固持特征。固持特征构造成接收护罩的近端并将护罩锁定地接合到中空本体。在一些实施例中，夹套还包括周向地设置在夹套的内表面上的多个内对准表面。多个内对准表面构造成相对于夹套轴向地和径向地对准喷嘴。在一些实施例中，夹套还包括周向地设置在夹套的外表面上的外对准表面。外对准表面构造成经由夹套相对于喷嘴轴向地和径向地对准护罩。

13、在一些实施例中，夹套的中空本体由可注射模制的塑料材料构成。在一些实施例中，中空本体的轴向长度大于筒的喷嘴、护罩或电极中的至少一个的轴向长度。在一些实施例中，夹套的长度与近端的宽度的比率在约0.7和约0.85之间，并且夹套的长度与远端的宽度的比率在约1.4和约1.6之间。

14、在又一个方面，在液体冷却等离子弧炬的易耗筒中，其中易耗筒构造成用于与等离子弧炬的炬本体附接，并且易耗筒包括喷嘴、筒夹套和护罩，改进包括围绕护罩的中空本体的近端周向地设置的多个孔口。多个孔口将中空本体的内表面连接到中空本体的外表面。每个孔口大小设计和成形为导引、计量和旋动穿过该孔口朝向护罩的出口孔行进的气体流。

15、在一些实施例中，易耗筒还包括在近端处围绕护罩的内表面周向地设置的固持特征。固持特征构造成与筒的筒夹套的对应的固持特征互补以将护罩牢固地接合到筒夹套。

16、在一些实施例中，护罩的中空本体的外表面的一部分适于与用于冷却护罩的液体冷却剂流体接触。

17、在一些实施例中，多个孔口中的每一个都成角度，以赋予流过所述孔口的气体切向速度。

18、在又一个方面，一种用于组装用于液体冷却等离子弧炬的易耗筒的方法。该方法包括：将涡流环牢固地附连到电极的远端，使得涡流环围绕电极的远端周向地设置；以及将喷嘴牢固地附连到涡流环，使得喷嘴围绕电极的远端周向地设置，其中涡流环的一部分位于电极和喷嘴之间。该方法还包括：将筒夹套牢固地附连到喷嘴的远端，使得筒夹套围绕喷嘴的远端周向地设置。该方法还包括：将护罩牢固地附连到筒夹套的远端，使得护罩围绕筒夹套周向地设置，其中筒夹套的近端轴向地延伸经过护罩的近端并且径向地延伸超过护罩的径向范围。

19、在一些实施例中，护罩经由筒夹套相对于喷嘴轴向地和径向地对准。在一些实施例中，筒夹套电学地隔离护罩和喷嘴。筒夹套可由可注射模制的塑料材料构成。

20、在一些实施例中，多个轴向冷却通路形成在筒中。多个冷却通路由(i)设置在筒夹套的内表面中并围绕筒夹套周向地散布的多个轴向通道中的相应通道和(ii)喷嘴的互补外表面限定。

21、在一些实施例中，筒夹套包括径向地延伸的近端，该近端包括围绕近端周向地设置的多个孔口。每个孔口构造成将气体流计量并从炬本体导引到护罩。

22、在一些实施例中，银尖端设置在电极的远端处。在一些实施例中，易耗筒的长度与夹套的宽度的比率小于约1.25。在一些实施例中，易耗筒附接到等离子弧炬的炬本体。易耗筒的喷嘴适于相对于炬本体轴向地和径向地对准易耗筒。

23、在另一个方面，提供了一种用于在液体冷却等离子弧炬中输送气体或液体中的至少一种的方法，该液体冷却等离子弧炬包括易耗筒和炬本体。该方法包括将易耗筒联接到等离子弧炬的炬本体。易耗筒包括电极、围绕电极周向地设置并牢固地附连到电极的喷嘴、围绕喷嘴周向地设置并牢固地附连到喷嘴的筒夹套、以及围绕筒夹套周向地设置并牢固地附连到筒夹套的护罩。该方法还包括将气体从炬本体输送到围绕筒夹套的近侧尖端周向地设置的多个孔口。该方法还包括将气体通过多个孔口计量并从筒夹套的内表面导引到筒夹套的外表面，以在护罩的外表面上输送气体。

24、在一些实施例中，该方法还包括：将气体通过围绕护罩的近侧尖端周向地设置的多个孔口计量并从护罩的外表面导引到护罩的内表面；通过设置到护罩中的多个孔口将涡流图案赋予通过所述孔口的气体流；以及将气体经由护罩的出口孔从等离子弧炬排出。

25、在一些实施例中，该方法还包括使液体在筒和炬本体之间循环以冷却等离子弧炬。使液体循环包括将液体从炬本体的至少一个孔口输送到多个轴向冷却通路中的一个或多个，所述轴向冷却通路由(i)设置到筒夹套的内表面中并围绕筒夹套周向地散布的多个轴向通道中的相应通道和(i)喷嘴的外表面限定。使液体循环还包括通过一个或多个冷却通路将液体在喷嘴的外表面上从喷嘴的近侧尖端传导到喷嘴的远侧尖端以冷却喷嘴。使液体循环还包括：使液体围绕喷嘴的远侧尖端循环；以及将液体的至少一部分引导到护罩以冷却护罩。在一些实施例中，液体的所述至少一部分被引导以冷却护罩的外表面。

26、在一些实施例中，该方法还包括：在炬本体和筒夹套的近侧尖端之间形成密封，该密封是基本上不透流体的，以使得液体和气体两者能够从炬本体输送到筒。该密封在炬本体和筒夹套的近侧尖端之间建立柔性接合。

27、在又一个方面，提供了一种在液体冷却等离子弧炬中安装期望的易耗筒的方法。该方法包括提供包括第一筒夹套的第一易耗筒，该第一筒夹套构造成将第一喷嘴相对于第一护罩在第一易耗筒内轴向地和径向地对准。第一筒夹套构造成支持第一易耗筒的第一操作电流要求。该方法还包括提供包括第二筒夹套的第二易耗筒，该第二筒夹套构造成将第二喷嘴相对于第二护罩在第二易耗筒内轴向地和径向地对准。第二筒夹套构造成支持与第一操作电流不同的第二易耗筒的第二操作电流要求。该方法还包括：通过将期望的操作电流和与对应的第一和第二易耗筒相关联的第一和第二操作电流要求进行比较来选择第一或第二易耗筒中的一个；以及将选定的易耗筒安装到等离子弧炬的炬本体。

28、在一些实施例中，第一筒夹套包括构造成计量和导引保护气体流的第一多个孔口，并且第二筒夹套包括构造成计量和导引保护气体流的第二多个孔口。在一些实施例中，第一多个孔口中的每一个的第一直径不同于第二多个孔口中的每一个的第二直径。第一和第二直径中的每一个根据不同的操作电流要求中的相应者来设计尺寸。

29、在一些实施例中，第一筒夹套具有第一轴向长度，该第一轴向长度构造成覆盖炬本体中的多个保护气体孔口中的一个或多个，并且第二筒夹套具有第二轴向长度，该第二轴向长度构造成覆盖炬本体中的多个保护气体孔口中的一个或多个。在一些实施例中，第一轴向长度不同于第二轴向长度，以覆盖炬本体中的多个保护气体孔口中的不同数量，从而实现不同的操作电流要求。

30、在一些实施例中，选定的易耗筒的喷嘴构造成将选定的易耗筒相对于炬本体轴向地和径向地对准。

31、在一些实施例中，选定的易耗筒的护罩包括围绕护罩的近端周向地设置的多个保护气体孔口。每个保护气体孔口成形为导引、计量和旋动穿过该保护气体孔口朝向护罩出口孔行进的保护气体流。在一些实施例中，保护气体孔口的直径尺寸设计成支持与选定的易耗筒相关联的操作电流要求。